大斷面巷道冒頂區(qū)域安全支護(hù)技術(shù)措施

王 寧

（1.大同煤礦集團(tuán)大唐塔山煤礦有限公司，山西 大同 037000；2.太原理工大學(xué)，山西太原 030024）

1 工程概述

大同煤礦集團(tuán)塔山煤礦位于大同市以南30 km，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為3.0 Mt/a，為高瓦斯礦井，礦井內(nèi)共分一盤(pán)區(qū)、二盤(pán)區(qū)、三盤(pán)區(qū)、塔山擴(kuò)區(qū)等四個(gè)盤(pán)區(qū)，一、二、三盤(pán)區(qū)目前回采煤層為太原組3#～5#煤層，煤層平均厚度為17 m，塔山擴(kuò)區(qū)回采煤層為山4#煤層，煤層平均厚度為3.5 m，山西組山4#煤層位于3#～5#煤層之上，層間距為40 m。2301巷位于塔山擴(kuò)區(qū)西翼，巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1700 m，巷道斷面規(guī)格為寬×高=4.5 m×3.6 m，巷道主要擔(dān)負(fù)著8301工作面煤炭運(yùn)輸任務(wù)，巷道采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)工藝，截止目前巷道已掘進(jìn)450 m。2301巷頂板無(wú)偽頂，直接頂主要以炭質(zhì)泥巖為主，平均厚度為為4.5 m，脆性大易破碎，巖石普氏系數(shù)f＜3.0，基本頂主要以粉砂巖為主，平均厚度為9.5 m。2301巷初步支護(hù)設(shè)計(jì)采用錨桿（索）網(wǎng)、噴漿等聯(lián)合支護(hù)。

根據(jù)礦地測(cè)科提供資料顯示，2301巷掘進(jìn)至400 m處將揭露一條F5正斷層，斷層落差為1.5 m，傾角為45°，當(dāng)施工巷道掘進(jìn)至380 m處頂板開(kāi)始出現(xiàn)破碎且伴隨著局部冒頂現(xiàn)象，當(dāng)巷道掘進(jìn)至395 m處受構(gòu)造應(yīng)力及采動(dòng)壓力影響，頂板出現(xiàn)大面積冒頂，冒頂區(qū)域成圓形，圓形半徑為2.0 m，冒頂高度為2.8 m。采用傳統(tǒng)錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)無(wú)法對(duì)冒頂區(qū)域進(jìn)行維護(hù)，很可能出現(xiàn)二次冒頂事故。對(duì)此塔山煤礦通過(guò)技術(shù)研究，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況提出以“人工假頂+注漿+架設(shè)π型鋼棚”的聯(lián)合支護(hù)對(duì)冒頂區(qū)域進(jìn)行維護(hù)，力求保證提高冒頂區(qū)域頂板穩(wěn)定性，防止二次冒頂事故發(fā)生。

2 傳統(tǒng)支護(hù)在冒頂區(qū)域中應(yīng)用存在的難題

1）2301傳統(tǒng)支護(hù)設(shè)計(jì)中錨桿采用長(zhǎng)度為2.5 m的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，每排施工5根，錨桿間距為1.0 m，而巷道冒頂區(qū)域冒頂高度達(dá)2.8 m，且冒頂區(qū)域成半球形，采用錨桿支護(hù)效果差、施工難度大，特別是鋼帶配套錨桿無(wú)法施工。

2）2301巷在掘進(jìn)期間頂板每排施工三根長(zhǎng)度為5.3 m錨索，錨索間距為1.8 m，而在冒頂區(qū)域由于高度大，施工單錨索時(shí)需人工搭設(shè)工作盤(pán)，不僅施工難度大而且人員在施工過(guò)程中很容易發(fā)生事故。

3）在初步支護(hù)設(shè)計(jì)中對(duì)冒頂區(qū)域進(jìn)行噴漿處理，而冒頂區(qū)域主要以炭質(zhì)泥巖為主，巖石膠結(jié)穩(wěn)定性差，受構(gòu)造應(yīng)力的影響，噴漿后頂板很可能出現(xiàn)塑性變形，甚至再次發(fā)生冒頂事故。

4）塔山礦為高瓦斯礦井，若對(duì)冒頂區(qū)域僅采用單一的錨桿、錨索支護(hù)，對(duì)冒頂區(qū)域不進(jìn)行填充，很容易造成冒頂區(qū)域瓦斯集聚，甚至?xí)l(fā)生重大煤礦瓦斯事故。

3 2301 巷冒頂區(qū)域聯(lián)合支護(hù)措施

3.1 人工假頂施工及注漿

（1）首先分別在距冒頂區(qū)域2.0 m處及過(guò)冒頂區(qū)域2.0 m位置處分別施工兩架錨索吊棚，錨索吊棚分別由兩根長(zhǎng)度為6.0 m錨索及一根長(zhǎng)度為4.2 m鋼梁（11#）組成。錨索吊棚與巷道設(shè)計(jì)頂板預(yù)留間隙高度為0.2 m。

（2）冒頂區(qū)域兩端錨索吊棚施工完后，在兩架吊棚中間搭設(shè)4根長(zhǎng)度為9.0 m加長(zhǎng)11#工字鋼梁，鋼梁平行巷道布置，加長(zhǎng)鋼梁間距為1.0 m，加長(zhǎng)鋼梁兩端與錨索吊棚之間采用卡蘭固定，且固定預(yù)緊力不得低于200 N·m，見(jiàn)圖1。

（3）加長(zhǎng)鋼梁搭設(shè)且固定完成后，在其上方依次鋪設(shè)風(fēng)帶、金屬網(wǎng)以及半圓木，半圓木與加長(zhǎng)鋼梁垂直布置，半圓木直徑不得低于0.3 m，長(zhǎng)度為4.2 m，半圓木鋪設(shè)平整且間隙不得超過(guò)0.2 m。

（4）當(dāng)?shù)谝粚影雸A木鋪設(shè)完后開(kāi)始鋪設(shè)第二層半圓木，為了提高后期注漿效果，在第二層半圓木鋪設(shè)前在其下方鋪設(shè)一層金屬網(wǎng)，第二層半圓木與第一層半圓木垂直布置，第二層半圓木長(zhǎng)度以兩端頂住冒頂區(qū)域煤壁為宜。

（5）第二層半圓木鋪設(shè)完后開(kāi)始鋪設(shè)第三層半圓木，且鋪設(shè)工藝相同，整體半圓木成“井”型布置，直至半圓木與冒頂區(qū)域頂板接觸嚴(yán)實(shí)。

（6）為進(jìn)一步加強(qiáng)頂板膠結(jié)穩(wěn)定性，2301冒頂區(qū)域人工假頂施工完后采用高壓注漿泵向假頂縫隙內(nèi)注射泡沫填充劑，該填充劑主要由基料與催化劑4:1混合而成，即時(shí)發(fā)泡迅速膨脹，膨脹倍數(shù)可達(dá)最初體積的15～30倍。膨脹泡沫2 min內(nèi)即可凝固硬化。

圖1 2301巷冒頂區(qū)域聯(lián)合支護(hù)斷面及局部剖面

3.2 架設(shè)π型鋼棚

由于普通鋼棚由一根頂梁和兩根棚腿組成，在使用過(guò)程中主要由頂梁支撐壓力，適用于斷面小且頂板壓力變化小的巷道中，而2301巷寬度為4.5 m，頂板冒頂區(qū)域架設(shè)假頂后上覆巖層壓力集中在假頂上，所以普通鋼棚頂梁受力大，很容易出現(xiàn)變形、斷棚現(xiàn)象，對(duì)此塔山礦通過(guò)技術(shù)研究設(shè)計(jì)了π型鋼棚，具體施工如下：

（1）π型鋼棚同樣由頂梁、棚腿、底座組成，頂梁上焊接兩根長(zhǎng)度為2.5 m支撐鋼梁（9#），支撐鋼梁成“八”字型布置，整個(gè)頂梁成“π”型，見(jiàn)圖1。

（2）第一架鋼棚架設(shè)在距冒頂區(qū)域2.0 m處，在架設(shè)鋼棚前首先在棚腿底板位置進(jìn)行起底預(yù)埋棚腿底座，起底規(guī)格為寬×深=0.3 m×0.2 m，起底后將棚腿底座放入基礎(chǔ)坑內(nèi)采用地錨進(jìn)行固定并進(jìn)行澆筑，棚腿底座主要由規(guī)格為長(zhǎng)×寬×厚=0.25 m×0.25 m×0.02 m鋼板制成。

（3）底座安裝后開(kāi)始安裝鋼棚棚腿，底座與棚腿之間采用連接螺母進(jìn)行固定，為確保棚腿安裝穩(wěn)定牢固，在巷道兩幫施工兩根長(zhǎng)度為0.5 m錨桿并采用卡纜將棚腿固定在巷幫上。

（4）在安裝頂梁時(shí)頂梁兩端與棚腿分別采用卡纜進(jìn)行固定并預(yù)緊至設(shè)計(jì)預(yù)緊力，兩根支撐鋼梁與棚腿采用連接螺母進(jìn)行固定。

（5）當(dāng)?shù)谝患堞行弯撆锛茉O(shè)完成后開(kāi)始架設(shè)第二架鋼棚，以此類(lèi)推直至過(guò)冒頂區(qū)域2.0 m后停止架設(shè)鋼棚，鋼棚間距為1.0 m，2301巷冒頂區(qū)域處共計(jì)架設(shè)8架π型鋼棚。

（6）所有鋼棚架設(shè)完成后為確保相鄰兩架鋼棚間起到聯(lián)鎖保護(hù)作用，相鄰兩架鋼棚分別采用一組連接桿進(jìn)行連接固定，且相鄰兩組連接桿成交錯(cuò)式布置，同時(shí)在鋼棚與頂板間隙處填充水泥背板，確保鋼棚與頂板接觸嚴(yán)實(shí)，見(jiàn)圖1。

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，同煤集團(tuán)塔山煤礦對(duì)2301巷冒頂區(qū)域采取“人工假頂+注漿+架設(shè)π型鋼棚”聯(lián)合支護(hù)徹底解決了冒頂區(qū)域支護(hù)施工難度大、支護(hù)效果差、瓦斯易集聚等難題，采用施工人工假頂及注漿支護(hù)方法有效避免了二次冒頂事故發(fā)生，同時(shí)采用架設(shè)π型鋼棚進(jìn)一步提高了冒頂區(qū)域頂板穩(wěn)定性，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)、安全效益，為采掘工作面冒頂區(qū)域維護(hù)提供了實(shí)踐依據(jù)。

〔1〕曾保亭.注漿加固技術(shù)在過(guò)斷層掘進(jìn)冒頂處理中的應(yīng)用[J].煤炭工程，2011（3）：76-78.

〔2〕王宇飛.青磁窯煤礦頂板高冒區(qū)的支護(hù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].陜西煤炭，2016（3）：37-39.

〔3〕劉應(yīng)忠.鋼棚支護(hù)在大斷面巷道頂板破碎區(qū)域中應(yīng)用實(shí)踐[J].山東煤炭科技，2013（6）：12-13.

〔4〕張志文.人工假頂在過(guò)斷層破碎帶中應(yīng)用分析[J].能源技術(shù)與管理，2014（3）：143-144.

〔5〕張 皓.掘進(jìn)巷道頂板冒頂區(qū)域支護(hù)技術(shù)研究[J].煤礦現(xiàn)代化，2013（4）：98-99.